회로이론 1: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 14개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

망 해석

키르히호프 전압 법칙
모든 루프에서 ΣV = 0
공유 저항
전류 = I1 − I2
망 안의 전류원
그 망 전류가 정해짐

방법

  1. 회로의 모든 망(창)에 시계 방향 전류를 그리세요.
  2. 각 망을 따라 키르히호프 전압 법칙을 적용하세요. 전압 강하의 합은 0입니다.
  3. 두 망이 공유하는 저항에 흐르는 전류는 두 망 전류의 차입니다.
  4. 방정식을 푸세요. 결과가 음수이면 전류가 반대 방향으로 흐릅니다.

중첩의 원리

중첩의 원리
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
제거한 전압원
단락 (0 V)
제거한 전류원
개방 (0 A)
전압 분배
V2 = V·R2/(R1 + R2)
전류 분배
I1 = I·R2/(R1 + R2)

방법

  1. 독립 전원의 수를 세세요. 전원 하나마다 더 간단한 회로를 하나씩 풉니다.
  2. 전원 하나만 남기고 나머지는 끄세요. 전압원은 단락(도선)이 되고, 전류원은 개방(끊어진 부분)이 됩니다.
  3. 간단해진 회로에서 필요한 전압이나 전류를 구하고, 그 방향을 기록하세요.
  4. 모든 전원에 대해 반복한 뒤, 각 기여분을 부호와 함께 더하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

연산 증폭기 회로

반전 증폭기
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
비반전 증폭기
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
가산 증폭기
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
이상적인 연산 증폭기
V+ = V−, Iin = 0

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 10 ΩR4 = 12 ΩR5 = 2 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
−+Vs​ = 9 VIs​3 AAR1​10 ΩR2​10 ΩB

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 B에 있으므로 VB − VA = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 마디 전압 VB (접지 기준)을(를) 구하시오.

Is = 3 AVs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 2 Ω−+Vs​ = 15 VIx​+−V1​12 VR2​2 ΩAR3​20 ΩBIs​1.5 A

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 B에 있으므로 VB − VA = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 화살표처럼 A에서 B로 전압원을 지나는 전류 Ix을(를) 구하시오.

V1 = 12 VIs = 1.5 AVs = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
Ix = A
5.망 해석보통
R1​ = 8 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​3 Ω+−VR3​A+−V2​24 VI1​I2​

망 해석법을 이용해 표시된 극성에서 R3 양단의 전압 VR3을(를) 구하시오.

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 Ω
VR3 = V
6.망 해석어려움
R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩIR4​AR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

망 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R4에 흐르는 전류 IR4을(를) 구하시오.

V1 = 36 VV2 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 25 ΩR3 = 8 ΩR4 = 20 ΩR5 = 30 Ω
IR4 = A
7.중첩의 원리보통
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​4 Ω−+VR2​AR4​20 ΩBIs​3 A

중첩의 원리를 이용해 표시된 극성에서 R2 양단의 전압 VR2을(를) 구하시오.

V1 = 12 VIs = 3 AR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
VR2 = V
8.중첩의 원리어려움
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 ΩIR4​+−V1​9 VR3​25 ΩAIs​2 AB+−V2​6 V

중첩의 원리를 이용해 화살표 방향으로 R4에 흐르는 전류 IR4을(를) 구하시오.

V1 = 9 VIs = 2 AV2 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 30 Ω
IR4 = A
9.테브난·노턴보통
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 10 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​1.5 ABRL​12 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 12 Ω을 연결한다. 테브난 등가 회로를 이용해 부하에 전달되는 전력 PL을(를) 구하시오.

V1 = 24 VIs = 1.5 AR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 2 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = 22 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = −1.2 V

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

Vin = −1.2 VR1 = 10 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
12.연산 증폭기 회로어려움
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 0.1 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.5 VR2​ = 2 kΩIf​

가산 증폭기는 ±15 V 전원의 이상 연산 증폭기를 사용한다. 귀환 저항을 통해 출력 쪽으로 흐르는 전류 If을(를) 구하시오.

V1 = 0.1 VV2 = 0.5 VR1 = 100 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
If = mA
13.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​24 Vt = 0R = 100 ΩL100 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 인덕터 전압 vL을(를) 구하시오.

Vs = 24 VR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms
vL = V
14.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​24 Vt = 0R = 3.3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 12 V이다. vC이(가) 18 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

Vs = 24 VR = 3.3 kΩC = 47 µFvC(0) = 12 V
t = ms

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: Req = 12.47 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 3 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R3 + R4 = 15 + 3 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 20·18/(20+18) = 9.474 Ω
Req = R1 + 9.474 = 3 + 9.474 = 12.47 Ω

답

Req = 12.47 Ω
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 17.47 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R5 + R6 = 2 + 4 = 6 Ω
R4 ∥ 6 = 4 Ω
R3 + 4 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2.471 Ω
Req = R1 + 2.471 = 15 + 2.471 = 17.47 Ω

답

Req = 17.47 Ω
3.마디 해석

답: VB = 19.5 V

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

슈퍼노드 만들기

A와 B 사이의 전압원에는 미지의 전류가 흐르므로 A나 B에서 따로 KCL을 쓸 수 없습니다. A, B와 전원을 하나의 슈퍼노드로 묶으세요. 들어오는 전류와 나가는 전류가 같습니다.

VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

풀기

VA/10 + (VA + 9)/10 = 3
VA = (3 − 9/10)/(1/10 + 1/10) = 10.5 V
VB = 10.5 + 9 = 19.5 V

답

VB = 19.5 V
4.마디 해석

답: Ix = −0.4286 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

슈퍼노드 만들기

A와 B 사이의 전압원에는 미지의 전류가 흐르므로 A나 B에서 따로 KCL을 쓸 수 없습니다. A, B와 전원을 하나의 슈퍼노드로 묶으세요. 들어오는 전류와 나가는 전류가 같습니다.

VB = VA + 15
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

풀기

(VA − 12)/2 + VA/2 + (VA + 15)/20 = 1.5
VA·(1/2 + 1/2 + 1/20) = 1.5 + 12/2 − 15/20 = 6.75
VA = 6.75/1.05 = 6.429 V
VB = 21.43 V

전압원을 지나는 전류

마디 A만의 KCL: R₁을 통해 들어오는 전류는 R₂와 전압원을 통해 나갑니다.

IR1 = (12 − 6.429)/2 = 2.786 A
Ix = IR1 − VA/R2 = 2.786 − 6.429/2 = −0.4286 A

답

Ix = −0.4286 A

결과가 음수이면 실제 전류는 화살표와 반대로 흐릅니다.

5.망 해석

답: VR3 = 13.89 V

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 8 ΩR2​ = 3 Ω+−V1​24 VR3​3 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
8·I1 + 3(I1 − I2) = 24
11·I1 − 3·I2 = 24

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 3(I2 − I1) = (−24)
−3·I1 + 6·I2 = −24

풀기

Δ = (11)(6) − (−3)(−3) = 57
I1 = Δ1/Δ = 72/57 = 1.263 A
I2 = Δ2/Δ = −192/57 = −3.368 A

답

IR3 = I1 − I2 = 4.632 A
VR3 = IR3·R3 = 4.632·3 = 13.89 V

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

6.망 해석

답: IR4 = 1.625 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 2 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR4​20 ΩAR5​30 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2, I3. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
2·I1 + 20(I1 − I2) = 36
22·I1 − 20·I2 = 36

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 20(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 75·I2 − 30·I3 = 0

망 3의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
8·I3 + 30(I3 − I2) = (−36)
−30·I2 + 38·I3 = −36

풀기

Δ = 계수 행렬의 행렬식 = 27700
I1 = Δ1/Δ = 48600/27700 = 1.755 A
I2 = Δ2/Δ = 3600/27700 = 0.13 A
I3 = Δ3/Δ = −23400/27700 = −0.8448 A

답

IR4 = I1 − I2 = 1.625 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

7.중첩의 원리

답: VR2 = −8.571 V

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​20 ΩB개방

경우 1 · V1만 작용

Iₛ가 개방되므로 R₃와 R₄는 A에서 접지까지 하나의 직렬 가지를 이루고, 이 가지는 R₂와 병렬입니다.

R3+R4 = 10+20 = 30 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 4·30/(4+30) = 3.529 Ω
VA = 12·3.529/(8+3.529) = 3.673 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.673·20/30 = 2.449 V
VR2′ = 0 − VA = 0 − 3.673 = −3.673 V
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω단락R2​4 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

경우 2 · Is만 작용

V₁이 단락되므로 R₁은 R₂와 병렬입니다. Iₛ는 B에서 R₄와 R₃를 지나는 경로로 나뉩니다.

R1 ∥ R2 = 8·4/(8+4) = 2.667 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 12.67 = 7.755 Ω
VB = Is·Req = 3·7.755 = 23.27 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 23.27·2.667/12.67 = 4.898 V
VR2″ = 0 − VA = 0 − 4.898 = −4.898 V

성분을 더하기

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = (−3.673) + (−4.898) = −8.571 V

결과가 음수이면 실제로는 극성이 표시와 반대로 되어 있다는 뜻입니다.

8.중첩의 원리

답: IR4 = 0.4448 A

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​9 VR3​25 ΩA개방B단락

경우 1 · V1만 작용

V₂는 단락, Iₛ는 개방됩니다. A에서 보면 R₃는 직렬인 R₂+R₄와 병렬입니다.

R3 ∥ (R2+R4) = 25 ∥ 34 = 14.41 Ω
VA = 9·14.41/(4+14.41) = 7.044 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7.044·30/34 = 6.215 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (6.215 − 0)/30 = 0.2072 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω단락R3​25 ΩAIs​2 AB단락

경우 2 · Is만 작용

두 전압원이 모두 단락됩니다. Iₛ는 B에서 R₄(이제 접지로)와, R₁ ∥ R₃와 직렬인 R₂로 나뉩니다.

R1 ∥ R3 = 3.448 Ω, 따라서 왼쪽 경로는 R2+3.448 = 7.448 Ω
Req = R4 ∥ 7.448 = 5.967 Ω
VB = Is·Req = 2·5.967 = 11.93 V
VA = VB·3.448/7.448 = 5.525 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (11.93 − 0)/30 = 0.3978 A
R1​ = 4 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 30 Ω단락R3​25 ΩA개방B+−V2​6 V

경우 3 · V2만 작용

V₁은 단락, Iₛ는 개방됩니다. R₁ ∥ R₃가 A에 연결되고, R₂와 직렬로 B로 돌아갑니다.

R1 ∥ R3 = 4·25/(4+25) = 3.448 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·7.448/37.45 = 1.193 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 1.193·3.448/7.448 = 0.5525 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (1.193 − 6)/30 = −0.1602 A

성분을 더하기

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.2072 + 0.3978 + (−0.1602) = 0.4448 A

결과가 음수이면 실제로는 전류가 화살표와 반대로 흐른다는 뜻입니다.

9.테브난·노턴

답: Vth = 6.667 V

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω단락R2​4 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 3 = 4.333 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·4/(2+4) = 6.667 V
10.테브난·노턴

답: PL = 17.28 W

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω단락R2​12 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 2 = 8 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​1.5 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 12 + 1.5·6 = 21 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 21 + 1.5·2 = 24 V
Rth​ = 8 Ω+−Vth​24 VRL​12 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 24/(8 + 12) = 1.2 A
PL = IL²·RL = 1.2²·12 = 17.28 W
11.연산 증폭기 회로

답: Vout = −3.84 V

이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.

반전 입력이 입력을 따라감

V₋ = V₊ = −1.2 V
I = V₋/R1 = −1.2/10 = −0.12 mA

출력 전압

R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.

Vout = V₋ + I·Rf = −1.2 + (−0.12)·22 = −3.84 V

답

Vout = −3.84 V
12.연산 증폭기 회로

답: If = 0.251 mA

이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.

입력 전류

V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.

I1 = V1/R1 = 0.1/100 = 0.001 mA
I2 = V2/R2 = 0.5/2 = 0.25 mA
If = I1 + I2 = 0.251 mA

답

If = 0.251 mA
13.RC·RL 과도 현상

답: vL = 8.829 V

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 100 mH / 100 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 24/100 = 0.24 A

인덕터 전압

t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−1/1 = 8.829 V

답

vL = 8.829 V
14.RC·RL 과도 현상

답: t = 107.5 ms

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

초기값, 최종값, 시정수

커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 47 µF = 155.1 ms
vC(t) = 24 + (12 − 24)·e−t/τ

시간에 대해 풀기

18 = 24 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (18 − 24)/(12 − 24) = 0.5
t = τ·ln((12 − 24)/(18 − 24)) = 155.1·ln(2) = 107.5 ms

답

t = 107.5 ms

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